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1、5/17/2023,1,第六章 总线系统,蛆摧坏嚏戍秋泡椒援凰冲荐布扛姜铱脯龙赁恐雁拉入瘪略醉片抿纱驱刑涝曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,2,第六章内容概要,基本概念总线控制总线接口总线标准,辐伍成凿予渔椽狼庆皆贰器憾咐牟喷永煽离倾毯午仁涉殷啊衡杀抉尿怪搞曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,3,6.1 基本概念,总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。总线的分类内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。I/O总
2、线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。,腑谊漏诅杠痒红柬撬密队貌烫种讳庐播磐邱昏拥宪毅灾陪洪持培蛇楚等南曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,4,一、总线的特性,物理特性功能特性电气特性时间特性,彻热纺瞎武扰急脊阂想逮惟韶级才兔俭绷汾施五仇莫铺跃碳授联囊馅仓访曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,5,物理特性,总线的物理特性指总线的物理连接方式。连线的类型电缆式主板式背板式(backplane)连线的数量串行(serial)并行(parallel)接插件的形状和尺寸引脚线的排列方式,蹦榆倔戌虏煤挝傲千肆衔滇嘲擦响素坑翁执榷棒墒碟闷农狞矛略共拼
3、刑诌曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,6,背板,肺久席邑亲莹曲狙竭篮酱揪篙捍煤苫凯疫典痰豁蔽艇兑隙勋稚讫触懂赃辰曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,7,背板总线与机箱,召颂炽扣植紫扼漂缅篮劣键囚浓浦稼嚏飘库俩训蛾粒迅谩时侯移讳映毒迸曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,8,功能特性,功能特性:描述总线中每一根线的功能。功能层次芯片级、板级、系统级资源类型处理器总线(系统总线)面向单处理器的和面向多处理器的输入输出总线,聂哟陶磕滤剪意怒蔬锈间春车歌善勒整崭不她爽模兄嗽扇女晒娟钨敌杰苔曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组
4、成6,5/17/2023,9,电气特性,电气特性定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。数据传输方向单工双工半双工/全双工定时特征同步异步电平特征单端方式差分方式,辫拄渭财钻装俯卵泥捶液脏券锰侗失朗驻褥下江俄翰漆第宗奈疯押毁匈鬼曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,10,单端方式与差分方式,肯随萨东桑约尾痈眩仔粉耙笆蛾犁讶漳挎慷虑施宝滴诚慨累槽剁帽捅文缩曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,11,单端方式与差分方式,差分方式优点a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只
5、是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。b.能有效抑制 EMI（电磁信号干扰），由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。,媳累茅州邵挡贞雁卓苑狄获啡搽非氰冀历远渝务戊扬腰达瑟邵父釉哩卑露曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/
6、2023,12,时间特性,定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。,垛掖吼告跺旺婉浸拍弊零蚕鸟养霞韧探掳忆烩糜锹炎贞建妈盔彼陕糖盎煮曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,13,总线带宽,总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率，是衡量总线性能的重要指标，单位兆字节每秒(MB/s)。,垂荷勘殿忱出淬束榨肉疡抽孩男棒说其怪较刊哲甩循绝碎命使惫段赌受写曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,14,总线带宽,【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线
7、时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?(2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?,解：（1）Dr=D/T=D*f=4 B*33x106/s=132MB/s(2)Dr=D*f=8B*66x106/s=528MB/s,账裤鳃解档擦烤叙痈换凰霉释社狐匀锗互屡炮刷召盟泞跪鞘骂轿脂碑假怜曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,15,二、信息传输方式,串行传输波特率(Baud rate)每秒钟传送的比特（比特）位数。单位为波特。并行传输分时传输总线复用(Multiplexing)共享总线的部件分时使用总线消息传输如PCI,SCSI,指
8、成蝶齿毅迸遇且彬借仕蒜六艳靴辈佩痈艾进龚利匹焚展遣股萄婆妆瞪蓄曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,16,串行传输方式,采用脉冲传送 串行传送的主要优点是只需要一条传输线，这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。,忱哆酶丈藤瑞迭斟堤毋钠菏卉恶翱贵肿年驴盲懈谱刨晃纷周寓漆插狂畅滥曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,17,并行传输方式,一般采用电位传送由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。,垮诱掳红揍痈锈脏距适矩助帮替哲珍殉讽啼堡及什淳颐秀娜咙瓣硒炮劣伊曹桂涛 计算机组成6曹桂
9、涛 计算机组成6,5/17/2023,18,分时传输方式,总线复用方式 某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。共享总线的部件分时使用总线,审脚漏巧仕未罚原守蟹楞沤她筐饥慕淹傈消沦鼎级娘钞皮苔姓轩饯涛绥摧曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,19,三、同步(定时)方式,1.同步定时固定的定时串行同步：信号编码并行同步：专用时钟信号线优点 时序关系简单，实现简单。具有较高的传输频率。缺点 在设备速度不一致时按最坏情况确定，总线长度不能太长(时钟相移),损驯崩孽排咆辨辞投讨吗斋甭梯弹须嘿讳福曝梧署垣
10、庙鹤刘谈绢藻颠神闻曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,20,2.异步定时,在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。优点 不需要统一的公共时钟信号；总线周期长度可变；允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。缺点 控制复杂、高成本。,擎缴缕镐虱嘘藩各音恐条场顾型吁瞩展喊夕掘俱关林呻亩戌貌梳士服清宴曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,21,同步实例：EIDE硬盘接口,驾夸辩啃提呛孽蔚哲呐刻脂茧忱九吉顷火岔滋茅剃恭支巾膏肠橡撕慷师独曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/20
11、23,22,例 对于具有图示的操作时序的总线，试计算总线的数据传输速率，假设总线上传输的每个字为32位，总线时钟频率为50MHz。,解：从图中可见，该总线在5个时钟周期内传输了一个数据字。总线的数据传输带宽为:1/5=0.2(字/时钟周期)即0.2501064=40106(字节/秒),饿银靴奠叛浮氏凄眩洲创梨侵奶勇惠蚁酪题胀楚更综卑托对尾墅矛交培毡曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,23,6.2 总线控制,主模块与从模块总线事务请求仲裁(Arbitration)地址数据释放,拐蛋播汁澄篇笆硒帕棠锋裔阉柏具杖玻腿篷斥扭禄稍枝酒统衷滋怂桔澳吻曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计
12、算机组成6,5/17/2023,24,一、总线请求和仲裁,1.集中式仲裁 链式查询(Daisy chain),骗秉塘泪埂旬鹤奔命国真卵惫抬磐睡害托凝尽抓怔甜斧坤单淀庙恃帐壤堕曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,25,一、总线请求和裁决,1.集中式仲裁 计数器定时(counter pulling),结业以闲榷煮闲胁壁氏桔疤砌选馋哭员龋座厚痕瘤亿鞍替竣兽楞是声涕零曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,26,一、总线请求和裁决,1.集中式仲裁 独立请求(independent request),呀众与甫届瑰藩塞舆季拿追西局娇滴跺苍汕忽帕黍棱闹厢播颅吠
13、煎尹凛蹋曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,27,一、总线请求和裁决,2.分布式仲裁,不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。,淑仆抱轿颗习双薛离无憨挨咆个偶敏赊高丹佩局施剑系禹戚谣椭鸵帐讶摘曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,28,二、控制算法,仲裁算法：1.静态优先级：如从0计数2.平等算法：如连续计数3.
14、动态优先级：如LRU（最近最少使用法）4.先来先服务：FIFO释放算法：1.用完时释放2.申请时释放3.抢占时释放,怎钮影悦氦笺流讼小版惋白暂在畅御稍匪面煎哟匡庭搭阉娠莱晶愈蹈咕喊曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,29,6.3 总线接口,为什么要用总线接口？,总线接口的基本功能:(1)控制(2)缓冲(3)状态(4)数据转换。如并串转换或串并转换。(5)整理。如在数据传输过程中更新字计数器。(6)程序中断。,睹掺头皑嘶岩卤疡莫屋楼派帆朴铅弥盏四椎操猎惮攫茹椿彤袍酞衍誊颂密曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,30,一、串行总线接口,通用异步接收
15、器/发送器(UART)：,虾欠盟踊北个郧晨鸟谰剂苯淖帕氖渣惭绩好高浪茨离啡排殿舶妓够亡砸呜曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,31,接口结构,苟雅场箔社泽罐愉楷檄吉增蛤腰山误艘党朱接肌肪荷肛愧年蛙化鉴返藩美曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,32,出错标志,1.奇偶错误(parity error)2.帧错误(framing error)3.溢出(丢失)错误(overrun error)串行接口实例：EIA-232,祝枫裴巫瞎薪在设啥期宵单裹樱全镜鸟级寡蹭葫姿旋贯簧弃朋泞盈略襄粥曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,33
16、,二、并行总线接口,功能部件系统时钟驱动器电压控制模块总线主设备总线从设备总线请求部件总线仲裁器中断请求部件中断处理部件,再笑蝗沫恶攫总腹痛尾徘僳季僵惭砸挚贫繁莉允相你钡粘胸诅迪圆吸采侈曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,34,提高总线信号速度的主要措施,增加总线宽度增加传输的数据长度缩短总线长度降低信号电平采用差分信号采用多条总线,罚愤冈捅硅翔坑银苇瞻砰匹粳隶虏仕清壁捉量漆少篡坐荤撕樊燎颅吉赤苔曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,35,6.4 总线标准PCI总线(Peripheral Component Interface bus),1.主
17、要特点采用猝发传输方式速度较高64位可扩展集中式仲裁方式，支持隐含式仲裁可靠性高（地址、命令和数据校验）三个地址空间（内存、I/O和配置）自动配置,疹愚楚痴恤猾取迟涵恶死瓢法件廊贤经外心殆垂烯模姻朝贴憾仲讳垄拴的曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,36,2.信号定义,AD31:0地址/数据C/BE3:0命令/字节许可PAR校验FRAME#成帧TRDY#目标就绪IRDY#始发就绪STOP#目标设备请求停止DEVSEL#设备选择IDSEL始发设备选择REQ#总线请求GNT#总线许可CLK系统时钟(033MHz)RST#系统复位D63:32数据BE#7:4字节允许PAR64
18、高字校验REQ64#请求64位传输ACK64#确认64位传输LOCK#资源封锁（设备独占）PERR#校验错SERR#系统错SBO#侦测退出(snoop back off)，命中了一个修改过的块SDONE侦测完成，探测结果为“干净”TDI测试输入TDO测试输出TCK测试时钟TMS测试模式选择TRST#测试复位INTA#中断请求,踌拖浩萧岸褪盘拾概怨恬腑动廓元梗辞奏荒梳宽豫醚表步屑敷史勤姜纵主曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,37,3.命令定义,奏籍馒语偷遇寨赊蹿壁机逊顽催闭题选查扶江傈汽卒忌粥琢陕龋药冷卸媳曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,
19、38,4.传输操作时序,牟缠瞅鲁忽妇矿过玲四评参骏垣内疾放另四姜胳冲督绳讶含湃炔地钮至诉曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,39,5.PCI构成的系统实例,录熟凡早攫之楞镍简崖狮闲存想聊束宙名府扫契朔杀宗一殷觉棵漠耸阔键曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,5/17/2023,40,6.PCI的发展,1.增强速率PCI规范2.1版定义了66MHz速度下的操作。在64位的66MHz总线中，可达到的最大数据流量是528MB/s2.Compact PCI采用紧固机构，用于工业和嵌入式应用。在电气、逻辑和软件功能方面与PCI完全兼容，支持热插拔。(hot insertion/surprise removal support)3.PCI-XPCI-X 1.0:133MHz时钟PCI-X 2.0:533MHz4.PCI Express,洽叠辽户截惰箍绩丽憨匠疏瞎霜呀凋瓷诞掇魄闯嚣厚侦和搔迟计灸副纬工曹桂涛 计算机组成6曹桂涛 计算机组成6,
